TRIZ理論在高校教學(xué)中的應(yīng)用
——以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為例

孫 笑 微

(沈陽師范大學(xué) 軟件學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

2014年8月18日,習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第七次會議上的講話指出:創(chuàng)新始終是推動一個(gè)國家、民族向前發(fā)展的重要力量。不斷提高國民的素質(zhì),培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的人才是教育的目標(biāo),教育創(chuàng)新活動也應(yīng)該圍繞這一總體目標(biāo)進(jìn)行展開。TRIZ理論正可以幫助我們實(shí)現(xiàn)批量發(fā)明創(chuàng)新的夙愿,同時(shí)在人才培養(yǎng)、教育創(chuàng)新中發(fā)揮出力量。

TRIZ理論是阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年創(chuàng)立的,因此阿奇舒勒也被尊稱為TRIZ之父[1-3]。阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)前蘇聯(lián)的各種組織組成了TRIZ理論的研究團(tuán)隊(duì),對全球近二百萬份的高水平發(fā)明專利進(jìn)行了分析,建立了TRIZ理論體系[4-5]。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)學(xué)科中的一門綜合性的專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程教學(xué)不但要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念,而且還要在此基礎(chǔ)上理解代碼,練習(xí)主要考察知識點(diǎn)的理解,及時(shí)地反饋和編寫代碼以及解決難度不等的題目在運(yùn)用中加深認(rèn)識。因此,本課程不僅要求學(xué)生有較強(qiáng)的邏輯推理能力和扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),而且還要具備一定的分析問題的能力和實(shí)踐操作即編程的能力。為了加強(qiáng)計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng),實(shí)際解決高校教學(xué)中的問題,需要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革[6-8],使之更好地適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步。

本文將運(yùn)用TRIZ理論對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)改革,研究TRIZ理論的九屏幕法[9]梳理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識體系,融會貫通的開展教學(xué),從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,改善“教”與“學(xué)”的效果。同時(shí)運(yùn)用技術(shù)矛盾[10-11]和40條創(chuàng)新原理[12]分析和研究了多媒體在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見的問題和不足,并提出相應(yīng)的解決方案,為未來的高校教學(xué)改革提出新的依據(jù)和方法。

1 TRIZ理論概述

圖1 TRIZ理論的解題模式Fig.1 Problem Solving Model of TRIZ Theory

創(chuàng)新是創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程,TRIZ理論不僅提供了方法工具和系統(tǒng)的理論依據(jù),還為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)和解決問題提供了理論依據(jù)。現(xiàn)代TRIZ理論結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜,內(nèi)容豐富,包羅萬象,最主要的內(nèi)容是:創(chuàng)新思維方法、問題分析方法、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾解決原理、創(chuàng)新問題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ,基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識庫等。

利用TRIZ理論解決實(shí)際問題時(shí),第一步將待解決的研發(fā)問題進(jìn)行分析定義,抽象為TRIZ問題模型;第二步利用TRIZ理論提供的方法和工具,找到解決方案的模型;第三步經(jīng)過TRIZ理論的一系列步驟,得到具體問題的最終解決方案。TRIZ理論的解題模式如圖1所示。

現(xiàn)代TRIZ理論體系主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:

1) 創(chuàng)新思維方法與問題分析方法。TRIZ理論中提供了如何系統(tǒng)分析問題的科學(xué)方法,如多屏幕法等;而對于復(fù)雜問題的分析,則包含了科學(xué)的問題分析建模方法——物-場分析法,它可以幫助快速確認(rèn)核心問題,發(fā)現(xiàn)根本矛盾所在。

2) 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。針對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化演變規(guī)律,在大量專利分析的基礎(chǔ)上TRIZ理論總結(jié)提煉出8個(gè)基本進(jìn)化法則。利用這些進(jìn)化法則,可以分析確認(rèn)當(dāng)前產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài),并預(yù)測未來發(fā)展趨勢,開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。

3) 技術(shù)矛盾解決原理。不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循共同的規(guī)律。TRIZ理論將這些共同的規(guī)律歸納成40個(gè)創(chuàng)新原理,針對具體的技術(shù)矛盾,可以基于這些創(chuàng)新原理、結(jié)合工程實(shí)際尋求具體的解決方案。

4) 創(chuàng)新問題標(biāo)準(zhǔn)解法。針對具體問題的物-場模型的不同特征,分別對應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)的模型處理方法,包括模型的修整、轉(zhuǎn)換、物質(zhì)與場的添加等等。

5) 發(fā)明問題解決算法ARIZ。主要針對問題情境復(fù)雜,矛盾及其相關(guān)部件不明確的技術(shù)系統(tǒng)。它是一個(gè)對初始問題進(jìn)行一系列變形及再定義等非計(jì)算性的邏輯過程,實(shí)現(xiàn)對問題的逐步深入分析,問題轉(zhuǎn)化,直至問題的解決。

6) 基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識庫?；谖锢?、化學(xué)、幾何學(xué)等領(lǐng)域的數(shù)百萬項(xiàng)發(fā)明專利的分析結(jié)果而構(gòu)建的知識庫可以為技術(shù)創(chuàng)新提供豐富的方案來源。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)概述

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課,是程序設(shè)計(jì)、編譯原理、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)原理以及其他系統(tǒng)程序、大型應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ),對于目前流行的AI、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興領(lǐng)域也起到了一定的指導(dǎo)作用。但是,該課程在教學(xué)過程中涉及的內(nèi)容比較廣泛、概念較多、算法編寫較復(fù)雜、程序上機(jī)難,實(shí)驗(yàn)效果差,學(xué)生既需要學(xué)習(xí)一定的程序設(shè)計(jì)語言基礎(chǔ),還需要掌握多種數(shù)學(xué)理論,并具有一定的邏輯思維能力,這對于初學(xué)者理解起來十分困難。

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識,因此他們在學(xué)習(xí)的過程中會遇到一些問題和困難,造成學(xué)習(xí)的積極性不是很高,導(dǎo)致最終考核成績不理想等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課程,為當(dāng)今社會最流行的人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿科學(xué)提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ),這使得以教師講授為主的傳統(tǒng)授課模式已經(jīng)過時(shí)。在教學(xué)過程中,教師在傳授理論基礎(chǔ)知識的同時(shí),更要重視實(shí)驗(yàn)教學(xué),并將二者有機(jī)結(jié)合起來,同時(shí)達(dá)到互相促進(jìn)的目的。因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還是很多考研和計(jì)算機(jī)等級考試的必修科目,所以還要特別注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)和提高。

引進(jìn)多媒體技術(shù)為深化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的高校教學(xué)改革提供了一定的技術(shù)支持,不僅增加了課堂教學(xué)的信息量,使課堂內(nèi)容更加豐富和充實(shí),還拓寬了學(xué)生的思維,使教學(xué)過程更加視覺化、形象化、生動化,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,優(yōu)化高校課堂的教學(xué)質(zhì)量。然而,多媒體技術(shù)作為一種有效的輔助教學(xué)手段,在展現(xiàn)其各項(xiàng)優(yōu)勢的同時(shí),也暴露出若干問題,比如信息量過大導(dǎo)致學(xué)生難以理解、師生同步性不足等。如何解決這些問題,也是本文要探索的。

3 TRIZ理論在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 課程內(nèi)容的知識體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容比較豐富,而且各知識點(diǎn)之間聯(lián)系非常密切,在教學(xué)過程中不僅需要理清各章節(jié)之間的邏輯關(guān)系,還要理清本門課程與先修課程和后繼課程之間的邏輯關(guān)系,從而形成知識體系結(jié)構(gòu)“網(wǎng)”,通過知識體系架構(gòu)幫助學(xué)生們對知識點(diǎn)的深入理解和各章節(jié)之間的融會貫通。TRIZ理論中的系統(tǒng)分析和建模方法可以建立知識體系結(jié)構(gòu),圖2即為用九屏幕法梳理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識體系。

圖2 九屏幕法分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識體系Fig.2 Knowledge System of Data Structure Analysis by Nine-screen method

通過使用TRIZ理論提供的理論方法和應(yīng)用工具,可以幫助學(xué)生有效地理清數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的整個(gè)知識脈絡(luò),了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的“前因后果”,還有該課程對最前沿科技的技術(shù)支持,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外,九屏幕法呈現(xiàn)給學(xué)生一個(gè)清晰明了的知識體系結(jié)構(gòu),依據(jù)此可以根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異進(jìn)行“因材施教”,靈活地而有目的地開展教學(xué),改善“教”與“學(xué)”的效果,從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)高校教學(xué)改革的目的。

3.2 技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理

TRIZ理論通過對百萬件專利的詳細(xì)研究,總結(jié)了39個(gè)通用工程參數(shù),用其來描述技術(shù)矛盾。在解決實(shí)際問題時(shí),先用這39個(gè)通用工程參數(shù)來表示組成矛盾雙方的性能形成矛盾矩陣,即將實(shí)際工程技術(shù)中的矛盾轉(zhuǎn)化為一般的標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)矛盾。TRIZ理論研究人員還提出了針對矛盾矩陣的40條發(fā)明創(chuàng)新原理來解決技術(shù)矛盾,利用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)組成的矛盾矩陣和40 條創(chuàng)新原理,解決技術(shù)矛盾的方案如表1所示。

表1 經(jīng)典TRIZ理論中的矛盾矩陣Table 1 Classic TRIZ contradiction matrix

技術(shù)矛盾解決方法的過程[13-15]: 1)對實(shí)際問題進(jìn)行分析,找出有可能存在的技術(shù)矛盾,如果可以的話最好用動賓結(jié)構(gòu)的詞來表示,因?yàn)槊芫仃囍械膮?shù)都是動賓結(jié)構(gòu)的。2)針對具體的實(shí)際問題確認(rèn)存在的技術(shù)矛盾有幾對,其中可以只存在一對,并將雙方矛盾轉(zhuǎn)化成技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)術(shù)語,然后再從TRIZ理論提供的39個(gè)通用工程參數(shù)中選定相對應(yīng)的參數(shù),注意參數(shù)必須是一個(gè)優(yōu)化參數(shù)一個(gè)惡化參數(shù)。3)將優(yōu)化參數(shù)標(biāo)識為i,惡化參數(shù)標(biāo)識為j,在表1的矛盾矩陣中找到矩陣元素Mij,其中Mij表示40條發(fā)明創(chuàng)新原理的序號,根據(jù)序號找出所對應(yīng)的發(fā)明創(chuàng)新原理,通常發(fā)明創(chuàng)新原理可能會有多條。4)根據(jù)已經(jīng)找到的發(fā)明創(chuàng)新原理,結(jié)合實(shí)際問題所在的環(huán)境和自身掌握的專業(yè)知識,尋找解決問題的途徑和方法。如果解決某技術(shù)矛盾的發(fā)明原理不止一條,則應(yīng)該對每一條相應(yīng)的原理都做嘗試。5)如果在4)的嘗試中沒有真正解決實(shí)際問題,或者沒有取得較好的解決效果,就要重新考慮初始構(gòu)思的技術(shù)矛盾的優(yōu)劣參數(shù)是否真正反映了問題的本質(zhì)所在,是否真正實(shí)現(xiàn)了問題創(chuàng)新改進(jìn)的正確方向,如果沒有從本質(zhì)上解決實(shí)際問題應(yīng)該重新設(shè)定技術(shù)矛盾參數(shù),并重復(fù)1)的工作。

3.3 技術(shù)矛盾和創(chuàng)新原理在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

根據(jù)技術(shù)矛盾解決實(shí)際問題的步驟,首先定義技術(shù)矛盾,需要改善的問題是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程授課內(nèi)容信息量大,使得教師的教學(xué)速度過快導(dǎo)致學(xué)生跟不上節(jié)奏,即可以用通用技術(shù)參數(shù)“時(shí)間損失”VS“信息損失”來描述,接下來查詢矛盾矩陣,從表1中可以找到4條創(chuàng)新原理,分別是24借助中介物原理、26 復(fù)制原理、28 機(jī)械系統(tǒng)替代原理、32 顏色改變(改變顏色、擬態(tài))原理,可以改善如上問題,針對每一個(gè)具體原理實(shí)施改善方案如下:

1) 中介原理。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的基本概念和基本知識中,穿插入C語言和C++的基本語法。 因?yàn)楹芏嗤瑢W(xué)對C語言指針和結(jié)構(gòu)體部分知識點(diǎn)掌握的不牢固,導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中很多算法看不懂,采用這種方法后,學(xué)生對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本概念和算法的理解大大增強(qiáng)了。

2) 復(fù)制原理。在課件完成之后,教師可以把學(xué)生需要重點(diǎn)掌握的部分課件用紙先打印出來,并在每張課件的旁邊留下足夠的空白,對學(xué)生增補(bǔ)聽課筆記予以方便,并在上課時(shí)把復(fù)印出的重點(diǎn)部分所涉及的課件發(fā)給學(xué)生,或者要求學(xué)生對于課件中的重點(diǎn)部分在書上做好筆記,同時(shí)留作業(yè)抄寫重要知識點(diǎn),達(dá)到加深印象,復(fù)制重點(diǎn)部分的功能和目的。這樣,既發(fā)揮了多媒體教學(xué)大信息量、授課速度快的優(yōu)勢,也解決了用多媒體教學(xué)時(shí)靈活性、同步性不足等缺點(diǎn)。

3) 機(jī)械系統(tǒng)替代原理。利用清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同推出的“雨課堂”[16]教學(xué)軟件,教師可以設(shè)計(jì)出適應(yīng)于智能手機(jī)的電子課件,通過微信公眾號可以向?qū)W生推送課件、預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)任務(wù)單等,學(xué)生只要掃描二維碼就可以進(jìn)入課程頁面,方便學(xué)生在課上課下隨時(shí)隨地的進(jìn)行移動學(xué)習(xí)。在課堂上,老師和學(xué)生之間只要使用網(wǎng)絡(luò)就可以通過“雨課堂”軟件收發(fā)課件、實(shí)時(shí)交流、彈幕互動等。教師還可以發(fā)布單選題、多選題、填空題、投稿和投票機(jī)制,同時(shí)實(shí)時(shí)顯示學(xué)生答案和對錯比例,從而提高教學(xué)效率。

4) 顏色改變原理。教師在制作課件過程中應(yīng)該盡量采用統(tǒng)一的模板和切換效果,以實(shí)用為主不要太花哨,以避免分散學(xué)生的注意力。不過對于那些重要的授課內(nèi)容和知識點(diǎn),教師可以適當(dāng)改變文字的顏色和字體,與課件的其他部分形成鮮明的對比,通過顏色改變來強(qiáng)調(diào)教學(xué)的重難點(diǎn)同時(shí)吸引學(xué)生聽課注意力。

3.4 TRIZ理論在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程因?yàn)樗惴ū容^復(fù)雜,導(dǎo)致上機(jī)實(shí)驗(yàn)課的效果一直不好,TRIZ理論的部分發(fā)明原理可以對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、解決實(shí)驗(yàn)問題的過程中提供技術(shù)工具和理論支撐。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主,即給出目標(biāo)解和程序大體框架,需要學(xué)生們用創(chuàng)新思維方式完善進(jìn)而改進(jìn)算法。比如在起泡排序法中引導(dǎo)學(xué)生如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遞增排序,可以應(yīng)用發(fā)明原理中“嵌套”的原理來實(shí)現(xiàn)多輪數(shù)據(jù)的比較和輸出;再采用“抽取”的原理避免重復(fù)數(shù)據(jù)的比較,即抽取掉已經(jīng)比較過的數(shù)據(jù)對原算法進(jìn)行優(yōu)化。由于課堂時(shí)間有限,在本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還可以進(jìn)一步探討,是否可以再進(jìn)一步優(yōu)化算法,這時(shí)教師可以給出方向,由學(xué)生課下查閱相關(guān)資料,讓學(xué)生了解該算法目前的國內(nèi)外研究動態(tài),比如采用“事先預(yù)防”原理等,對已經(jīng)排序過的數(shù)據(jù)設(shè)置標(biāo)志位,以保證下次比較不用重復(fù)進(jìn)行,從而進(jìn)一步簡化算法中對數(shù)據(jù)的比較次數(shù),提高算法的時(shí)間復(fù)雜性。在經(jīng)過這樣多次反復(fù)的訓(xùn)練之后,學(xué)生就會漸漸學(xué)會如何科學(xué)地提出問題,有效地解決問題,從而進(jìn)一步提高創(chuàng)新能力。

4 結(jié) 論

TRIZ理論是一種指導(dǎo)發(fā)明和創(chuàng)新的科學(xué)的方法論,本文應(yīng)用TRIZ理論的九屏幕法分析了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的課程體系,使學(xué)生形成知識“網(wǎng)”,有助于學(xué)生對知識的融會貫通。TRIZ理論利用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)組成的矛盾矩陣和40條創(chuàng)新原理,對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多媒體理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了對策和建議,在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)改革中取得了良好的效果。

TRIZ理論應(yīng)用在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中,為現(xiàn)存的實(shí)際問題提供了解決問題的思路和方法,為高校教學(xué)改革做出積極的研究和探索。TRIZ理論使得學(xué)生自主創(chuàng)新的熱情被激發(fā)出來,還培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新的能力和思維習(xí)慣,同時(shí)幫助學(xué)生開闊思路和視野,讓學(xué)生從被動接受灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動學(xué)習(xí),學(xué)會積極思考,將所學(xué)知識融會貫通,從而實(shí)現(xiàn)師生互動,教學(xué)相長的教學(xué)新模式,為高校教學(xué)改革提出了新的方向和目標(biāo)。